Notice d`utilisation pour la simulation numérique du
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1.2. de Lema e aana nPn EP netie e 11 43 ES LA MUR RAILS LOL ee ee nee PP te ie ee ed 12 AS TIntrOdUCHOMEssnS En RNA E AA EN AE EAA O and nr ATE 12 4 3 2 Gestion de l ajout de mati re les cordons de soudure iii 12 4 3 3 Mod lisation de la source de chaleur ssssesssinesssnnesnsnnennnnnessnnnnnsannennnnnensnnnnnsannennnnnensann 13 AA Caku M tAINUOIQUE Len tn nn ae na eat er tata etes met me 18 A LI e a a I nd NE VEA E A A EEE 18 4 4 2 Mod les de comportement au chauffage et au refroidissement 18 4 4 3 Interaction thermique gt M tallurgique nn 18 4 51CAlCULIM CANON nan ete AA baka Diikat date ne Del lateNa ri een 19 4 5 4 Remarque sur les grandes d formations nenpmmmun 20 455 Conditions AUX Mte Ssnan boston note euros aoan aaaea aaea i aaaea aa 20 46 Temps d Calul onuiernieiii tinea aia aAa Aaaa a aa 20 Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 3 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster PE default Titre Notice d utilisation pour la simulation nu
3. U2 03 05 R vision 4036 e Etude sur une plaque chanfrein e soud e en deux passes avec proc d TIG fiche dite 2425 Nombre de n uds 11600 Mod lisation 3D Temps CPU du calcul thermique 951s Temps CPU du calcul m canique 64601s Remarques e Le calcul m tallurgique ventuel ne co te rien en temps calcul car il s agit uniquement d int grer les mod les de comportement il n y a pas d quations d quilibre r soudre e Le temps m canique pourrait tre certainement am lior si on consid rait lors de la r solution des quations d quilibre m canique par l op rateur STAT NON LINE dans la phase de pr diction la d pendance du module d YOUNG et peut tre du coefficient de dilation thermique vis vis de la temp rature Actuellement seule est prise en compte dans le second membre la d formation thermique en fait la d riv e Il existe une fiche d volution dans Code Aster qui trace ce probl me pas inh rent au soudage e La partie m canique tant un probl me fortement non lin aire il est souvent n cessaire d utiliser la recherche lin aire dans le module STAT NON LINE afin de faciliter la convergence De plus un d coupage adapt du pas de temps en fonction de l volution des temp ratures permet de faciliter la convergence Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html
4. air o n est la normale ext rieure h le coefficient d change convectif o la constante de Stefan Boltzman et l missivit du mat riau Remarques e Dans le cas du soudage de pi ces relativement paisses les valeurs prises pour le coefficient d change et l missivit n ont souvent qu une influence secondaire sur les calculs thermiques en effet le flux de chaleur chang avec l air ambiant pendant le chauffage et au refroidissement est tr s faible comparativement au flux de chaleur par conduction dans la pi ce provenant de l apport de chaleur e A proximit imm diate de la source le flux mis par rayonnement est non n gligeable dans la r alit mais les inconnues correspondantes peuvent tre int gr es dans la d finition de la taille et la r partition de la source de chaleur Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster PE default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 20 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 e Le probl me thermique se ram ne donc le plus souvent un probl me purement conductif et la non prise en compte des changes radiatifs et convectifs avec l environnement n est pas essentielle 4 3 5 Caract ristiques thermophysiques Les propri t s thermophysiques intervenant dans l qua
5. de l op ration et une bonne qualit des assemblages soud s Les soudures constituent tout de m me les points faibles des structures Les champs de d formations et de contraintes induits par l op ration de soudage ont un r le d terminant sur la qualit et la tenue m canique du composant soud les contraintes r siduelles induites par le soudage accentuant tous les risques d endommagement par fatigue par fluage par corrosion et par rupture fragile C est pourquoi il est important de se doter d outils robustes et fiables pour simuler ce proc d Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster aiul default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 8 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 3 La simulation num rique du soudage Tout ce qui est crit par la suite peut tre mis en uvre dans deux situations d tudes Lorsqu on simule videmment le soudage de deux pi ces e Mais galement lorsqu on simule la d pose d un rev tement sur une pi ce On peut appliquer la m me m thodologie que celle adopt e pour une op ration de soudage 3 1 Repr sentation visuelle d une op ration de soudage e La r alit on a deux pi ces A et B que l on souhaite souder pour obtenir une pi ce AB en utilisant un proc d de so
6. la fusion du mat riau il faut disposer si possible d une part de param tres entre 20 C et la temp rature de fusion et d autre part d essais permettant de caract riser les ph nom nes visqueux e Des donn es sur les conditions de soudage Parmi les nombreuses incertitudes sur les donn es d entr e qui interviennent lors de la simulation num rique d une op ration de soudage ou de d pose d un rev tement l ind termination de l apport de chaleur est la plus p nalisante En effet m me lorsqu il s agit d un soudage automatis et que les param tres de soudage sont bien connus la mod lisation de l apport de chaleur reste de toute fa on difficile et un recalage est presque toujours n cessaire sur des mesures de temp ratures ou sur des macrographies de zones fondues si une simulation num rique pr dictive est vis e Dans le paragraphe 3 et pour chacun de ces points nous pr senterons les diff rentes m thodologies possibles et parfois les choix conseill s 3 4 Les sp cificit s de Code Aster 3 4 1 Quels sont les couplages consid r s Dans Code Aster il est actuellement possible de prendre en compte l essentiel des ph nom nes mais de fa on d coupl e par l interm diaire de calculs cha n s thermique puis m tallurgique ventuellement et enfin m canique Le calcul m tallurgique ventuel est ainsi effectu en post traitement du calcul thermique sans tenir compte de l influence de la m
7. tallurgie sur la thermique diff rence de propri t s thermo physiques selon les phases et chaleurs latentes de transformation Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copylett fdl html Code Aster PR default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 10 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 De m me le calcul m canique est d coupl des calculs thermique et m tallurgique l influence de la dissipation intrins que sur les champs thermiques est n glig e ainsi que l influence de l tat de contraintes sur les transformations m tallurgiques Pour r sumer voici les interactions prises OUI ou non NON en consid ration e Influence de la Thermique sur la M tallurgie OUI e Influence de la M tallurgie sur la Thermique NON Influence de la Thermique sur la M canique OUI e Influence de la M canique sur la Thermique NON e Influence de la M tallurgie sur la M canique OUI e Influence de la M canique sur la M tallurgie NON 3 4 2 Sch ma type d un fichier de commande Code Aster Pour r sumer voici les grandes tapes d un calcul d une op ration de soudage dans Code Aster 1 On r alise un calcul thermique qui permet d obtenir le champ de temp rature en chaque n ud du maillage 2 Si le mat riau consid r subit des transformations m tallurg
8. 3488 Le calcul du tube chanfrein est r alis en axisym trique Des comparaisons entre cette approche 2D axisym trique et une approche 3D ont t r alis es dans 1 et montrent la bonne repr sentativit de l approche 2D m me si celle ci ne tient pas compte des effets de vitesse Th se L D 2004 Sur la plaque non chanfrein e plusieurs mod lisations sont test es Calcul 3D thermo m canique complet Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster au default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 13 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 Calcul 2D en d formation plane o on mod lise une section perpendiculaire l avanc e de la torche e Calcul 2D en contrainte plane o on mod lise le plan moyen de la plaque On constate dans ce cas de figure que le calcul 2D en d formation plane ne reproduit pas bien les r sultats obtenus sur le calcul 3D en terme de d placements et de contraintes r siduelles except pour ces derni res dans la zone centrale de la plaque Quant au calcul 2D en contrainte plane il donne des r sultats tr s proches en contraintes r siduelles du calcul 3D 4 2 Le maillage Conseils g n raux e Comme toute tude num rique il est toujours difficile de donner pr cis ment des valeurs
9. au chauffage et au refroidissement Actuellement dans Code Aster pour des mat riaux type acier il n existe qu un seul mod le de comportement permettant de calculer chaque pas de temps les proportions des diff rentes phases N anmoins ce mod le est diff rent au chauffage et au refroidissement On trouvera dans R4 04 01 l expression d taill e des cin tiques au chauffage et au refroidissement Interaction thermique gt M tallurgique Comme nous l avons d j pr cis auparavant il ny a pas de couplage entre les calculs thermique et m tallurgique Or les propri t s thermo physiques conductivit chaleur sp cifique ou enthalpie du point mat riel d pendent des proportions des diff rentes phases en pr sence si ceci n est en g n ral pas trop pr judiciable vis vis des pr dictions m caniques cela peut l tre pour une pr vision fine de la m tallurgie finale mais ce n est pas en g n ral l objectif d une simulation num rique du soudage Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copylett fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 22 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 4 5 Calcul m canique 4 5 1 4 5 2 4 5 3 Les points critiques pour la partie m canique concernent le choix de la loi de comporteme
10. d intensit constante qui voyage dans l espace le long de l axe de soudage Cas d une mod lisation 2D avec flux de chaleur e Dans le cas d une mod lisation en 2D l approche est diff rente car il faut choisir un flux volumique ou surfacique qui soit variable dans le temps et ceci afin de prendre en compte dans le calcul 2D l approche et l loignement de la torche Pour la r partition spatiale de ce flux on choisit souvent un flux constant en espace Un exemple de flux surfacique est donn ci dessous max Q t si t lt t ti Q 0 x y z t 0 x t 0 si 4 lt t lt t t t _ qu Th SL ET t f Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster au default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 19 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 e L encore il faudra identifier partir de mesures de temp rature les param tres du flux choisi dans notre exemple les instants et f ainsi que la valeur Q e Si l on conna t la puissance d livr e par le proc d on peut galement en d duire le param tre n Cela donne pour notre exemple f o0 dsl s f o a rs f o t a ce qui fait Q r dt 0 Slt D t o V est la vitesse de soudage connue et la surface du cordon d pos connue Pour
11. niveau des r sultats par rapport un maillage polygonal Il importe en revanche de respecter approximativement le volume des cordons d pos s Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 14 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 15 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 4 3 Calcul thermique 4 3 1 4 3 2 Le point critique pour la partie thermique concerne la mod lisation de l apport de chaleur Introduction Dans Code Aster le calcul de l volution thermique s effectue par la r solution non lin aire de l quation de la chaleur op rateur THER NON LINE R5 02 02 dans le volume de la pi ce tant donn une condition initiale et des conditions aux limites thermiques sur les fronti res La r solution est transitoire la source de chaleur se d place sur le maillage La diffusion de la chaleur est trait e par une formulation enthalpique qui est l int grale de la chaleur T sp cifique sur la
12. param tre d espace disponible e Calcul m tallurgique Le ph nom ne de revenu qui a en particulier pour cons quence une diminution de la limite d lasticit des phases brutes de trempe n est pas pris en compte On peut ventuellement contourner ce probl me Si le nombre de phases form es au refroidissement permet de laisser des variables internes m tallurgiques libres on peut alors assigner ces variables internes des proportions de phases revenues et mod liser la cin tique de revenu en introduisant un TRC fictif e Calcul m canique Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 11 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 Il serait int ressant de d velopper pour un mat riau ne comportant qu une seule phase m tallurgique les mod les quivalents META XXX xxx plusieurs phases Cela oblige actuellement r aliser un faux calcul m tallurgique pour b n ficier de ces lois Cela peut poser en 3D d importants probl mes de temps de calculs et de capacit m moire pour peu qu on utilise par exemple un mod le avec crouissage cin matique on stocke un tenseur comme variable interne pour chaque pas de calcul et pour chaque phase Manuel d utilisation Fascicule u
13. puissance du proc d de soudage est connue on pourra en d duire la valeur du param tre n dans la puissance nette afin de v rifier la coh rence de la valeur obtenue par rapport au proc d En effet l int grale de la densit volumique respectivement surfacique de flux de chaleur sur le volume choisi respectivement la surface choisie doit tre gale la puissance nette soit Q x 2 t dv nul et O x y 2 t1 ds nul V S Dans les deux exemples pr sent s ci dessus cela donne L L max Exemple du flux volumique si Q x t dx Sx 0 n UI o S est la surface 0 du cordon d pos e perpendiculaire la direction du soudage S 2 max Exemple du flux surfacique O TEE TRER AA A e Le flux de chaleur tant identifi spatialement il faut maintenant mettre en uvre le d placement de cette source sur le maillage pour le calcul thermique transitoire On d finit ainsi une fonction dans la direction de soudage ici x et du temps par l op rateur DEFI NAPPE un flux fonction du temps est appliqu successivement sur les mailles situ es sous le trajet de la torche de soudage en consid rant une mont e valeur maximale suivit d une descente z ro La descente du flux sur une maille correspond la mont e du flux sur la maille adjacente suivante Ainsi les sources sont allum es successivement le long de l axe de soudage lors du passage de la torche ce qui correspond une source de chaleur
14. zone solide de l assemblage soud o le comportement du mat riau est fortement influenc par le champ de temp rature du au soudage Le terme ZAT a une signification toute particuli re lorsque le mat riau du m tal de base ou du m tal d apport subit des transformations structurales c est la zone o la transformation a lieu Cette Z A T se d compose elle m me en trois grandes parties la zone o la transformation est compl te la zone o la transformation est partielle et enfin la zone revenue Z R o la temp rature maximale atteinte est l g rement inf rieure la temp rature de d but de transformation mais o le comportement du mat riau est l g rement modifi par rapport celui du m tal de base La zone non affect e thermiquement de mani re tr s g n rale c est la zone solide de l assemblage soud o le comportement du mat riau est peu influenc par le champ de temp rature Pour les mat riaux subissant des transformations structurales il s agit de la partie de l assemblage soud o la temp rature maximale atteinte est bien inf rieure la temp rature de d but transformation et o l op ration de soudage n engendre pas de modification des caract ristiques m tallurgiques et m caniques du m tal de base 2 5 Pourquoi est il important de simuler le proc d de soudage L volution des proc d s de soudage appliqu s aux aciers a permis d atteindre aujourd hui une bonne reproductibilit
15. 2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 12 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 4 M thodologie pour la simulation Les retours d exp rience cit s dans cette partie sont essentiellement issus des trois tudes suivantes Une tuyauterie en 316L chanfrein e soud e par le proc d TIG 2 avec du m tal d apport en treize passes fiche CEA EDF FRAMATOME 3488 les 2 premi res passes de cet exemple constituent un cas test Code Aster V7 42 1001 Une plaque chanfrein e en 316L soud e par le proc d TIG 4 avec du m tal d apport en deux passes de soudage fiche CEA EDF 2425 les diff rents fichiers de commande rattach s cette tude sont stock s dans la base d tudes de Code Aster SERVICE BDD Etudes Une plaque en 316L non chanfrein e avec cr ation d un ligne de fusion par le proc d TIG 3 mais sans m tal d apport th se INSA de Lyon de L Depradeux soutenue en 2004 Par souci de simplicit nous les nommerons par la suite fiche 3488 fiche 2425 et th se L D 2004 41 Type de mod lisation 2D ou 3D En toute rigueur le proc d de soudage est strictement tridimensionnel l apport de chaleur et ventuellement de mati re tant mobile et de vitesse souvent constante Les champs de tem
16. 2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copylett fdl html Code Aster ou default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 16 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 On commence par cr er un champ de temp rature l ambiante 720 sur tout le maillage par la commande CREA CHAMP op ration AFFE On tend le premier champ de temp rature calcul la passe num ro d ordre 1 en compl tant par 720 sur les nouvelles mailles CREA CHAMP op rations EXTR puis ASSE On stocke ce champ dans une nouvelle structure de donn es de type evol ther par la commande CREA RESU on fait une boucle sur les num ros d ordre restants et on r p te les op rations 2 et 3 pour chaque num ro d ordre en enrichissant la structure de donn es cr e en 3 mot cl reuse de CREA RESU e Enfin la troisi me m thode consiste sur un seul mod le thermique au sens de Code Aster d doubler les n uds l interface de chaque cordon ce qu il faut pr voir dans l tape de construction du maillage Lors de l affectation du chargement thermique AFFE CHAR THER on n affecte que la partie du mod le qui correspond au m tal d j pr sent Ainsi les cordons non d pos s ne voient pas le chargement et le d doublement des n uds emp che le transfert de ch
17. 4036 De plus on impose souvent cette temp rature uniquement sur le cordon d pos en effet les formes et tailles de zones fondues sont rarement connues et m me si elles le sont cela rend fastidieux la construction du maillage surtout si le nombre de cordons est lev La m thode en temp rature est conseill e dans le cas de mod lisations 2D ou bien lorsque aucune donn e n est disponible sur les param tres de soudage La fonction T t a souvent la forme suivante T si t lt t t T t T si 4 lt t lt t Ei TT as ventuellement TD 7 MA ET Ste On prescrit une mont e de la temp rature initiale T la temp rature de fusion ou une temp rature ventuellement sup rieure 7 d une dur e f la mont e en temp rature prescrite peut tre lin aire ou non lin aire exponentielle par exemple puis un maintien cette temp rature pendant une dur e f f et enfin ventuellement on peut prescrire le d but du refroidissement jusqu la temp rature T Les param tres EE T peuvent tre identifi s si des mesures de temp rature existent La suite du refroidissement s effectue avec des changes par convection et rayonnement e La seconde m thode consiste imposer un flux de chaleur surfacique J sm ou volumique J sm au cordon de soudure mod lis Elle est pr f rentiellement utilis e lorsque l nergie de soudage d livr
18. Code Aster drul default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 1 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 Notice d utilisation pour la simulation num rique du soudage R sum L objectif de ce document est de donner les informations n cessaires pour qu un utilisateur puisse r aliser des calculs de soudage multipasses avec Code Aster Il constitue un guide m thodologique sur les outils disponibles et les bonnes pratiques mettre en place pour conduire une tude de qualit en simulation num rique du soudage Les diff rents conseils donn s l utilisateur proviennent essentiellement du retour d exp rience issu de trois tudes e Une tuyauterie en 316L chanfrein e soud e par le proc d TIG avec du m tal d apport en treize passes fiche CEA EDF 3488 les 2 premi res passes de cet exemple constituent un cas test Code Aster V7 42 1001 e Une plaque chanfrein e en 316L soud e par le proc d TIG avec du m tal d apport en deux passes de soudage fiche CEA EDF 2425 les diff rents fichiers de commande rattach s cette tude sont stock s dans la base d tudes de Code Aster SERVICE BDD Etudes Une plaque en 316L non chanfrein e avec cr ation d un ligne de fusion par le proc d TIG mais sans m tal d apport th se INSA de Lyon de L Depradeux soutenue en 2004 Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m c
19. affiner l identification des param tres de la source on peut utiliser le param tre n trouv par un calcul 3D quasi stationnaire en rep re mobile Retour d exp rience e Th se INSA L D 2004 Pour la mod lisation 3D transitoire de la plaque plusieurs formes de flux surfaciques ont t test es triangulaire dans le sens du soudage cylindrique base circulaire et gaussienne Pour ces trois flux la r partition en temp rature s est av r e peu pr s identique Pour la mod lisation 2D d formation plane trois repr sentations ont t test es temp rature impos e flux surfacique et flux volumique avec identification des param tres sur des mesures Seule la mod lisation avec temp rature impos e a conduit la fusion du m tal d pos Avec un flux volumique la zone fondue n a pas t reproduite e Fiche 3488 L approche en temp rature impos e a t utilis e sur le calcul axisym trique du tube Les r sultats de cette simulation montrent que les calculs surestiment la zone fondue et les maxima des cycles thermiques L approche en temp rature impos e est donc trop nerg tique et c est l approche en flux qui est conseill e pour cette tude 4 3 4 Conditions aux limites thermiques avec l environnement Les conditions aux limites thermiques sont mod lis es par des changes convectifs et radiatifs de la pi ce soud e avec l environnement qui s crivent Re on eo T T
20. aleur l interface des cordons non d pos une temp rature gale l ambiante est appliqu e dans les cordons non encore d pos Lors de l ajout d un nouveau cordon on recolle les n uds correspondant en appliquant l galit des temp ratures aux n uds d doubl s par la commande LIAISON GROUP Cette m thode est certainement la plus fiable mais la construction du maillage devient fastidieuse si le nombre de passes est grand Retour d exp rience e L avantage de la premi re m thode un seul mod le et conductivit presque nulle pour le cordon non encore d pos est sa simplicit de mise en uvre En revanche elle peut conduire des oscillations num riques de la temp rature dues la discontinuit de la conductivit aux interfaces entre les cordons comme constat dans la fiche 3488 2 N anmoins cette m thode est souvent choisie du fait de sa simplicit e Les trois m thodes ont t test es sur la plaque 2425 4 et compar es des mesures exp rimentales de temp rature Les trois calculs conduisent des r sultats sensiblement identiques aux points de mesures 4 3 3 Mod lisation de la source de chaleur La mod lisation v ritablement compl te du probl me thermique n cessiterait la prise en compte des transferts de chaleur lectro thermo fluides dans l arc lectrique avec prise en compte des ph nom nes lectromagn tiques et la mod lisation des mouvements convectifs dans le bain f
21. anique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster pa default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 2 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 Table des mati res 1LR STEnNCES IMPORTANT En PR ann AU date Na roland cet aan 3 2 G n AIteS SUr IS SOUE ES RS ten ne Pda ne etienne ANR 5 2 1Quest cols Soudage tendu n dunes don Rider aan d anne nant dent anndnedn een Ga en RAT trendot teen 5 2 2 Ph nom ne mis en jeu lors du SOUdAQR era te so mornnse iiiaae ia 5 23 Re v e des differentes iMteracth NS sisii iiaa ainka eaaa aaa a a aaa iaai aaa 5 2 3 1 Interaction Thermique M tallurgique naain aa 5 2 3 2 Interaction Thermique M CANiQUe Lau se niiina aii i aaa 5 2 3 3 Interaction M tallurgique M canique ennnenneennennnnenann 6 2 4 Qu entend on par zone fondue ZAT zone revenue 7 ieeunnaaaaeennnnnennnss 6 2 5 Pourquoi est il important de simuler le proc d de soudage 7 6 3 1 Repr sentation visuelle d une op ration de soudage 7 3 2 Quecherche tom a CAIGUI R 288 Mr san nn sv teen aaao iiaia 8 3 3 Quelles sont les principales difficult s de la simulation 7 8 34 Les sp cificit s de Code ASt ss uonn soutenant a a a bida Mean need 8 3 4 1 Quels sont les couplages consid r s Zonia aeaa 8
22. bre de n uds du mod le e Comme pour n importe quel probl me il est n cessaire de pr voir d s l tape de maillage les groupes destin s recevoir les conditions aux limites thermiques et m caniques trajet de la source surface d change ainsi que les zones destin es au post traitement Ceci est d autant plus vrai pour le maillage thermique o le chargement source chaleur et les conditions aux limites convection et rayonnement se d placent au fur et mesure de la d pose des cordons e Pour la zone fondue il est souvent difficile de la repr senter car en l absence de macrographie sa forme est inconnue Retour d exp rience e Fiche 3488 Les cordons de soudure peuvent tre repr sent s g om triquement et maill s de fa on plus ou moins complexes Il y a 3 choix possibles en allant du plus compliqu vers le plus simple On peut choisir de respecter la fois le volume et la forme de la passe La forme des cordons tant courbe on devra mailler des surfaces bords courbes donc utiliser des l ments finis au moins de degr 2 On respecte seulement le volume de la passe On respecte au mieux le volume de la passe Des comparaisons ont t faites dans 2 avec ces trois possibilit s Il s av re que les r sultats des calculs m caniques diff rent tr s peu d un maillage l autre thermique quivalente En conclusion un maillage courbe n apporte rien de significatif au
23. compression seront nombreux C est pourquoi plus le nombre de passes mod lis est lev plus les contraintes r siduelles pr vues par une mod lisation avec crouissage isotrope seront lev es On peut att nuer ce r sultat en utilisant un crouissage isotrope avec de la restauration d origine visqueuse qui va compenser l effet de l crouissage isotrope Au contraire un mod le crouissage cin matique a tendance sous estimer les contraintes r siduelles Le comportement r el du mat riau est souvent une combinaison des deux crouissages 4 5 4 Remarque sur les grandes d formations La prise en compte des grandes d formations n est en g n ral pas indispensable pour une simulation du soudage sur structures paisses En revanche ii les structures sont minces fortes distorsions il est n cessaire de les prendre en compte Dans Code Aster il existe deux possibilit s pour tenir compte des grandes d formations dans l op rateur STAT NON LINE e __ L option PETIT REAC adapt lorsque les rotations sont petites e __ L option SIMO MIEHE pour une formulation exacte des grandes d formations mais restreinte aux mod les crouissage isotrope 4 5 5 Conditions aux limites Retour d exp rience e Fiche 3488 La mod lisation axisym trique du soudage sur le tube suppose implicitement tort que le soudage a lieu simultan ment sur toute la circonf rence du tube donc que la temp rature s l
24. dentification des param tres mat riaux du 16MNDS5 associ s aux mod les thermique m tallurgique et m canique Note interne EDF R amp D H T64 2008 03224 Parution courant 2009 Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 6 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 2 G n ralit s sur le soudage 2 1 2 2 2 3 2 3 1 2 3 2 Qu est ce le soudage Le soudage de deux pi ces m talliques est l obtention d une continuit par fusion ou diffusion locale gr ce un apport de chaleur et ventuellement d un apport de m tal Beaucoup de proc d s de soudage peuvent donc tre d crits physiquement comme un bref passage tr s haute temp rature d une petite quantit de m tal suivi d un refroidissement libre ou forc le plus souvent par conduction dans la masse des pi ces soud es et dans les l ments du poste de travail Avec le temps cette volution de temp rature d termine la structure m tallurgique finale du joint soud parfois diff rente du m tal de base Ph nom ne mis en jeu lors du soudage D un point de vue m canique les gradients thermiques tr s localis s mis en jeu lors du soudage de deux mat riaux engendrent des dilatations et contractions loca
25. e 9 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 6 passe 5 me passe Pi ce AB o f Pi ce AB simul e soud e 3 2 Que cherche t on calculer Le but final de la simulation est de d terminer les champs de contraintes et de d formations r siduelles Pour ce faire il est n cessaire de coupler ou de cha ner des calculs thermique ventuellement m tallurgique et enfin m canique 3 3 Quelles sont les principales difficult s de la simulation Les grandes difficult s questions et choix de m thodologie auxquelles l ing nieur sera confront peuvent se r sumer en six points e Repr sentation 2D ou 3D de la structure tudi e e Quel maillage adopt Comment prendre en compte l apport de chaleur e Comment g rer l ajout de mati re en thermique en m canique e Quel mod le de comportement m canique pour les transformations m tallurgiques il existe un unique mod le dans Code Aster e Quelles donn es physiques Remarque Les choix qui seront adopt s au final pour la simulation d pendent de beaucoup des donn es exp rimentales en la possession de l ing nieur Ces donn es regroupent e Des donn es mat riau Comme dans toute simulation il est important d avoir des donn es mat riau pour identifier le plus proprement possible les lois de comportement thermique m tallurgique et m canique Le soudage impliquant des temp ratures tr s lev es jusqu
26. e est connue c est le cas pour le soudage l arc pour lequel on peut estimer la puissance d livr e UI avec U la tension et 7 l intensit du courant De cette puissance d livr e seul une fraction nUI p n tre effectivement dans la pi ce et participe l chauffement et la fusion des mat riaux Pour le proc d TIG par exemple le param tre n est de l ordre de 0 6 0 9 Il est alors possible de r partir cette puissance en surface ou en volume ou les deux sur le maillage La r partition de ce flux de chaleur peut tre extr mement simple constante en espace dans le m tal d pos ou plus labor e mod le double ellipso de r partition gaussienne labor par J Goldak Le calage des param tres de la source de chaleur retenue n cessite des mesures de temp rature Par la suite nous d taillons la d marche suivre dans le cas d une mod lisation par flux de chaleur en distinguant les simulations 3D et 2D On suppose qu il existe des donn es disponibles en temp rature Cas d une mod lisation 3D avec flux de chaleur e Nous donnons ci dessous quelques formes possibles pour la repr sentation spatiale des flux volumiques ou surfaciques Exemple d un flux volumique constant suivant y et z et variable dans la direction de soudage ici x max L e D x si 0 lt x lt F 4 4 4 Q Q x y z t Q x t max t x L si cr LI2 2 Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m cani
27. ent Validation sur tests analytiques Acier 16MNDS Th se INSA Note INSA 201 1AB 005 09 04 02 e Validation ind pendante des outils de simulation num rique de soudage dans Code Aster On trouvera ces deux notes sur le site Code Aster Pr sentation D marche Qualit Actions de validation ind pendantes et compl mentaires item Soudage L DEPRADEUX amp V CANO Lot de validation pour la simulation num rique du soudage avec Code Aster synth se des documents analys s Note interne EDF H 64 2007 00942 27 09 07 en r f rence L DEPRADEUX amp V CANO Lot de validation pour Code Aster sur la simulation num rique du soudage Document de synth se Note interne EDF H 64 2007 00926 27 09 07 Donn es mat riaux Mat riaux 16MND5 Inconel 600 et 182 et acier 308L Ph DUPAS amp F WAECKEL Recueil bibliographique de caract ristiques thermo m canqiues pour l acier de cuve les rev tements inoxydables et les alliages 600et 182 Note interne EDF DER HI 74 93 097 et HT 26 93 058 A 17 01 94 Mat riau 316L A RAZAKAINAVO Introduction dans Code Aster d un mod le de comportement lasto viscoplastique prenant en compte des transformations m tallurgiques Note interne EDF HI 74 97 020 0 Mat riau 316L V CANO Recueil bibliographique de caract ristiques thermom caniques de l acier inoxydable 316L Note interne EDF HT 64 05 021 A 09 05 Mat riau 16MND5 V CANO I
28. es distributions de temp rature Interaction Thermique M canique e Sens Thermique gt M canique cette influence r sulte d une part des variations des caract ristiques m caniques avec la temp rature et d autre part des dilatations et contractions d origine thermique e Sens M canique gt Thermique l volution de la d formation irr versible ainsi que des variables internes d crouissage conduit une dissipation d nergie sous forme de chaleur Toutefois cette l vation de temp rature d origine m canique est souvent n gligeable en comparaison de celle provenant de l apport de chaleur d livr e par le proc d de soudage compte tenu des d formations et vitesses de d formation relativement faibles qui sont mises en jeu Cette hypoth se n est plus valide dans le cas de proc d s mettant en jeu de fortes dissipations par exemple le soudage par friction Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 7 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 2 3 3 Interaction M tallurgique M canique e Sens M tallurgique gt M canique l influence de l histoire m tallurgique sur l histoire m canique r sulte principalement de quatre facteurs Le premier r
29. iques on r alise en post traitement du calcul thermique le calcul m tallurgique qui permet d obtenir la proportion des diff rentes phases m tallurgiques et ventuellement la duret associ e en chaque n ud du maillage 3 A partir du champ de temp rature et ventuellement des phases m tallurgiques on r alise le calcul m canique en choisissant un mod le de comportement qui prend en compte ventuellement les diff rents effets possibles des transformations m tallurgiques On obtient ainsi les champs de contraintes de d formations et de variables internes en chaque point de Gauss 3 4 3 Restrictions de Code Aster 5 e Calcul thermique La r solution de l quation de la chaleur en rep re mobile par la commande THER NON LINE MO U4 53 03 utile pour caler la source de chaleur d un calcul thermique 3D instationnaire n est disponible que dans le cas d un trajet rectiligne de la source de chaleur et pas dans le cas d un trajet axisym trique comme lors du soudage de conduites cylindriques par exemple Il est actuellement impossible de d finir une fonction de plus de deux variables avec Code Aster alors que les sources de chaleur classiques Gaussienne double ellipsoide source CIN sont des densit s de flux volumiques ou surfaciques fonction de l espace et du temps Si la source est fonction du temps a minima except si le calcul est effectu en rep re mobile il ne reste plus qu un seul
30. les ayant pour cons quence l apparition de champs de d formations et de contraintes incompatibles qui subsistent apr s retour la temp rature ambiante Pour certains mat riaux l histoire thermique associ e l op ration de soudage engendre des changements de microstructures l tat solide qui influencent l tat de contraintes r siduelles et de distorsions du joint soud Ces changements de microstructures interviennent lorsque la temp rature atteint un seuil qu on appelle temp rature de d but de transformation Ces transformations s arr tent lorsque la temp rature d passe la temp rature de fin de transformation On peut alors distinguer deux types de contrainte les contraintes d origine thermique engendr es durant toute la dur e du processus de soudage et les contraintes d origine m tallurgique ventuellement engendr es pendant la dur e des transformations Par cons quent une simulation num rique du soudage doit prendre en compte les ph nom nes coupl s entre eux thermique m tallurgique ventuellement et enfin m canique Revue des diff rentes interactions Interaction Thermique M tallurgique e Sens Thermique gt M tallurgique les propri t s thermo physiques conductivit capacit calorifique diffusivit d pendent des phases en pr sence e Sens M tallurgique gt Thermique les transformations m tallurgiques s accompagnent d effets de chaleur latente qui modifient l
31. m rique Date 10 08 2010 Page 4 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 1 R f rences IMPORTANT Dans cette partie nous donnons les r f rences cit es dans ce document mais galement d autres r f rences qui pourraient servir l ing nieur lors d une simulation num rique du soudage R f rences cit es 1 C BOIS Simulation thermique du soudage multipasses par proc d TIG puls d une tuyauterie en acier inoxydable Note FRAMATOME EER DC 1509 2 X DESROCHES Simulation num rique d un essai de soudage sur tube en 13 passes Note EDF DER HI 75 00 016 A 3 L DEPRADEUX Simulation num rique du soudage Acier 316L Validation sur cas tests de complexit croissante Th se INSA Note INSA n 201 1AB 010 11 03 04 4 V CANO Simulation num rique d une op ration de soudage TIG sur une plaque chanfrein e en mat riau 316L en deux passes Maquette 2425 Note interne EDF R amp D H T64 2008 04060 FR Parution courant 2009 5 L DEPRADEUX amp V CANO Lot de validation pour Code Aster sur la simulation num rique du soudage Document de synth se Note interne EDF H 64 2007 00926 27 09 07 6 W EL AHMAR Robustesse de la simulation num rique du soudage TIG de strucutures 3D en Acier 316L Th se INSA 2007 R f rences non cit es e Cas test de Code Aster nous donnons l ensemble des cas test de Code Aster qui mettent en uvre des commande
32. nde AFFE MODELE contenant toutes les passes et d sactiver artificiellement les cordons non encore d pos s en leur imposant une conductivit thermique nulle 10 W m C en pratique e La seconde m thode consiste embo ter les mod les thermiques au sens de Code Aster un maillage global de tous les cordons est utilis mais le mod le thermique n est affect que sur la partie du maillage correspondant au m tal d j d pos lors de l tape AFFE MODELE Les cordons non encore d pos s ne sont pas inclus dans le mod le Dans ce cas il est n cessaire d avoir autant de mod les thermiques qu il y a de cordons d pos s Les diff rents mod les sont embo t s les uns dans les autres c est dire que le mod le thermique contient les passes de 1 etle mod le thermique 7 1 contient les passes 1 7 etla passe 7 1 Cette m thode est plus propre que la pr c dente dans la mesure o les l ments non d pos s ne perturbent pas le calcul de la passe en cours puisqu ils ne sont pas inclus dans le mod le En revanche ceci pose un probl me lors de l encha nement des calculs thermiques les champs de temp rature du mod le 7 n tant pas d finis en tous les n uds du mod le correspondant la passe suivante 1 1 Il faut donc effectuer un prolongement des champs calcul s d un mod le l autre Pour ce faire on proc de en 4 tapes Manuel d utilisation Fascicule u
33. nt et l identification des param tres de cette loi Principe du calcul m canique Le calcul m canique s effectue par r solution des quations d quilibre op rateur STAT NON LINE en tenant compte de la d pendance des propri t s m caniques vis vis de la temp rature et ventuellement des proportions des phases m tallurgiques Gestion de l ajout de mati re les cordons de soudure En m canique il existe deux m thodes pour g rer l ajout de mati re quivalentes dans le principe celles de la thermique e On peut consid rer un seul mod le m canique comportant tous les cordons o les n uds l interface entre cordons sont d doubl s Lors de l ajout d un nouveau cordon on affecte des conditions l interface portant sur l incr ment des d placements LIAISON DDL Tout comme en thermique cette m thode est certainement la plus fiable mais la construction du maillage devient fastidieuse si le nombre de passes est lev On n a pas de retour d exp rience r cent sur cette m thode e La m thode la plus couramment utilis e en m canique est celle o on a un seul mod le m canique pour toutes les passes les l ments non encore pr sents tant d sactiv s artificiellement par affectation d un module d Young quasi nul E 10 7 E 20 C en pratique La valeur de module d Young affecter dans le m tal non d pos r sulte d un compromis si la valeur est trop lev e des cont
34. ondu en interaction avec le plasma de couverture et les transferts de chaleur dans la partie solide Bien qu une litt rature abondante existe en ce qui concerne la prise en compte de la mod lisation de larc et du bain de fusion dans la simulation nous nous placerons par la suite dans une optique de mod lisation avec un code de calcul industriel qui ne permet pas de mod liser les ph nom nes pr sents dans l arc et le bain fondu Ceux ci sont remplac s par la d finition d une source de chaleur de forme ad quate Seule la conduction de la chaleur est donc mod lis e c est pourquoi il ne sera pas fait allusion la mod lisation de l arc et du bain par la suite Description des deux m thodes possibles e La premi re m thode consiste imposer des cycles de temp rature la mati re que l on d pose Ces temp ratures impos es peuvent tre appliqu es soit sur le seul cordon d pos soit sur l ensemble cordon d pos plus zone fondue Par raison de simplicit la fonction temp rature impos e 7 est choisie le plus souvent constante en espace mais variable dans le temps soit PPT LS y z t T t Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster ra default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 17 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision
35. p ratures et m caniques engendr s sont donc tridimensionnels et transitoires Il est donc pr f rable de r aliser une analyse transitoire tridimensionnelle Cependant ce choix n tant pas toujours possible du fait de la complexit du temps calcul et de la capacit m moire requis par des calculs 3D on a souvent recourt une mod lisation 2D en simulation num rique du soudage notamment pour du soudage multi passe avec un grand nombre de passes Cas d une mod lisation 2D Dans la majorit des cas les simulations 2D consid rent une section transverse perpendiculaire l avanc e de la torche de soudage Ces simulations sont r alis es avec l hypoth se des d formations planes Des calculs 2D axisym triques sont galement adopt s pour le cas du soudage de conduites cylindriques Le point faible des deux mod lisations pr c dentes c est qu on n glige l effet de vitesse du soudage et qu on suppose que le cordon ou la chaleur est d pos e simultan ment sur toute la longueur de la pi ce souder D autres choix moins classiques sont galement envisageables on peut choisir par exemple de mailler une section longitudinale dans le sens du soudage ou bien si on consid re que les temp ratures sont constantes dans l paisseur on peut choisir de mailler le plan moyen de la plaque Ces simulations sont alors r alis es avec l hypoth se des contraintes planes Retour d exp rience Fiche
36. que Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster PE default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 18 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 Exemple d un flux surfacique Q Q x y t cylindrique base circulaire de rayon R et d intensit maximale Q e Lorsque des mesures de temp ratures sont disponibles les param tres de cet apport de chaleur tailles valeurs de puissance maximale inject e peuvent tre cal s de mani re reproduire au mieux par calcul les cycles thermiques mesur s e Cette tape de calage peut tre effectu e facilement et avec de faibles temps de calculs par l interm diaire d un calcul quasi stationnaire en rep re mobile THER NON LINE MO Cela suppose que le trajet de la source est rectiligne uniforme vitesse constante Dans ce cas de figure on suppose qu un r gime permanent s tablit et l quation de la chaleur crite dans ce rep re devient ind pendante du temps On obtient donc le champ de temp rature dans ce rep re fonction de l espace uniquement On peut ventuellement r cup rer la dimension temporelle par un changement de variable X x V t On peut donc rapidement un seul pas de temps identifier les param tres de la source qui sont ensuite r utilis s dans le cas du calcul transitoire e Une fois l identification r alis e et si la
37. raintes seront g n r es dans le m tal non encore d pos mais si elle est trop faible cela peut entra ner des probl mes de convergence Loi de comportement Dans Code Aster il existe diff rentes lois de comportement pour d crire le comportement non lin aire d un mat riau crouissages isotrope cin matique mixte effet visqueux L utilisateur trouvera dans le document U4 51 11 l inventaire de ces mod les tant donn s que ces mod les ne sont pas sp cifiques aux seules simulations du soudage nous ne les d crirons pas Remarque N anmoins nous pouvons citer les mod les m caniques avec effet des transformations structurales qui ont t d velopp s pour les aciers tel le 16MNDS et sp cialement dans le cadre des activit s soudage Ces mod les qui sont d crits en d tail dans les documents R4 04 021 et R4 04 031 permettent de mod liser les ph nom nes suivants comportement plastique ou comportement visqueux crouissage isotrope lin aire ou non lin aire ou crouissage cin matique lin aire plasticit de transformation restauration d crouissage d origine m tallurgique restauration d crouissage d origine visqueuse On peut r aliser un calcul en petites d formations mais galement en grandes d formations soit avec l option PETIT REAC soit avec l option SIMO MIEHE les mod les avec crouissage cin matique n existent pas avec SIMO MIEHE Les de
38. s Code Aster utiles dans le cadre de la simulation num rique du soudage Transformation m tallurgique commande CALC META V4 61 100 V4 61 102 et V4 61 103 Mod les de comportement m canique avec effets des transformations structurales mot cl META XXX XXX renseigner sous STAT NON LINE V7 20 104 V7 22 101 V7 22 102 V7 22 103 B V7 22 104 V7 22 105 V7 22 122 V7 22 127 V7 22 128 et V7 22 126 M thodologie V7 42 100 fiche 3488 tube Les diff rents fichiers de commande mod lisations A G rattach s l tude sur la plaque 2425 sont stock s dans la base d tudes de Code Aster SERVICE BDD Etudes La mod lisation est le calcul 3D thermique quasi stationnaire en rep re mobile Les mod lisations B C et D sont les simulations thermiques transitoires 3D avec diff rentes m thodes de d sactivation du m tal non encore d pos par affectation d une conductivit quasi nulle A par des mod les thermiques embo t s B et enfin par d doublement des n uds et recollement des n uds l interface D Les mod lisations E F et G sont les simulations m caniques des deux passes avec diff rentes lois de comportement de Von Mises avec crouissage lin aire isotrope E cin matique F ou mixte G e Fiche 3488 essais et simulations sur un tube en 316L chanfrein soud en 13 passes par le proc d TIG F WAECKEL Synth se des mod lisations thermiques d une op ration de
39. side dans les dilatations et contractions provoqu es par les transformations m tallurgiques Le second facteur est le ph nom ne de plasticit de transformation Le troisi me est le ph nom ne de restauration de l crouissage Enfin le dernier facteur correspond au comportement particulier li l aspect multi phas du mat riau e Sens M canique gt M tallurgique l application d une contrainte modifie l nergie stock e dans le mat riau et la structure atomique du r seau La pr sence d une sollicitation m canique peut donc jouer un r le sur les transformations m tallurgiques 2 4 Qu entend on par zone fondue ZAT zone revenue Lorsqu on parle de soudage l ing nieur d tude entendra souvent parl de zone fondue de ZAT et de zone revenue qui correspond trois zones distinctes dans un composant soud C est pourquoi nous donnons ci dessous une d finition tr s g n rale de ces zones La Zone Fondue Z F cest la zone o la temp rature est sup rieure au solidus de l acier consid r ou du m tal d apport La composition du m tal fondu r sulte de la chimie du m tal d apport de la chimie du m tal de base et des interactions avec l environnement Cette zone est s par e de la Zone Affect e Thermiquement ZAT par la ligne de fusion qui caract rise l ensemble des points ayant atteint la temp rature de solidus La Zone Affect e Thermiquement ZAT de mani re tr s g n rale c est la
40. soudage r alis es dans la fiche coop rative 3449 Note EDF DER HI 74 95 028 0 Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster ou default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 5 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 F WAECKEL L BIRONNEAU Simulations m caniques d une op ration de soudage multipasses sur plaque autobrid e Note EDF DER HI 74 96 006 0 J DEVAUX Fiche tripartite 3488 Simulation num rique du soudage Calculs thermo m caniques des passes 1 5 Note FRAMATOME LL 99 4564 X DESROCHES A RAZAKANAIVO C BOIS Ph GILLES J KICHENIN Y LEJAIL Synth se de la FC3488 Simulation du soudage multipasses validation exp rimentale Note Technique CEA DER SERI LCS 01 4027 e Fiche 2425 essais et simulation sur une plaque en 316L chanfrein e soud e en 2 passes par le proc d TIG D AYRAULT O BLANCHOT Maquettes instrument es de soudage multipasses Base de donn es exp rimentale destin e la validation de calculs Rapport final de la fiche 2425 CEA DECS UTA 02 RT 07 25 Octobre 2002 e Programme INZAT sur disque en 16MND5 chauff par un laser essais et simulations thermo m tallo m caniques Y VINCENT Cons quences des transformations structurales dans la zone affect es thermiquem
41. sur la densit du maillage cela d pend beaucoup du probl me physique consid r Dans le cas du soudage le maillage doit tre suffisamment fin autour de la source de chaleur cordons de soudure et zone fondue pour appr hender correctement les forts gradients thermiques et m caniques dans cette zone e Dans le cas d une mod lisation thermique quasi stationnaire en rep re mobile cf 3 3 2 la rapidit des calculs autorise une densit de maillage plus importante notamment autours de la source e Dans le cas de soudage sur aciers avec transformations de phases m tallurgiques il est n cessaire de mailler de fa on suffisamment fine la ZAT Ceci est d autant plus important que le maxima de contraintes est g n ralement atteint en p riph rie de ZAT en zone partiellement aust nitis e La densit de maillage dans cette zone est donc primordiale Les simulations de soudage sur un acier qui pr sente des transformations de phases n cessitent donc priori des maillages plus volumineux en nombres d l ments par rapport des simulations de soudage sur aciers sans transformations tude identique e Pour des calculs m caniques 3D il est tr s important de d raffiner le plus possible le maillage m canique lorsqu on s loigne de la zone soud e En effet la forte non lin arit du probl me et les temps de calculs qui vont avec et l aspect transitoire n cessitant de nombreux pas de temps limitent en pratique le nom
42. temp rature B T pC u du On peut donc fournir soit la conductivit et la 0 chaleur sp cifique PC en fonction de la temp rature soit et cest pr f rable cf remarque ci dessous la conductivit et l enthalpie en fonction de la temp rature Remarque sur le choix d une formulation enthalpique e A la temp rature de fusion la capacit thermique qui est l nergie fournir pour lever la temp rature du corps subit une discontinuit qui se traduit par la chaleur latente de fusion qui repr sente l nergie fournir pour franchir la temp rature de changement de phase Dans le cas d un m lange de constituant c est le cas des alliages la fusion s tale entre les temp ratures de liquidus et de solidus 77 et Ts Une formulation enthalpique de l quation de la chaleur est utile pour la prise en compte des ph nom nes de chaleur latente de changement de phases En effet cette formulation vite de rater la transformation ce qui risque d arriver pour la formulation en capacit si les pas de temps ne sont pas suffisamment petits Gestion de l ajout de mati re les cordons de soudure Description des diff rentes m thodes Il existe plusieurs m thodes pour prendre en compte dans le mod le thermique transitoire l ajout successif de mati re lors des diff rentes passes de soudage La premi re m thode consiste ne consid rer qu un seul mod le au sens de Code Aster d fini par la comma
43. tion de la chaleur sont fonction de la temp rature Il s agit de la conductivit thermique A T et de la chaleur sp cifique pC ou de enthalpie Remarques e En ce qui concerne la conductivit thermique il est parfois d usage de l augmenter artificiellement pour les temp ratures sup rieures la temp rature de fusion de fa on prendre en compte les ph nom nes convectifs l int rieur du bain et homog n iser la temp rature de celui ci Dans la litt rature la conductivit est ainsi augment e d un facteur 2 10 ou 100 selon les auteurs c est ce qui est fait dans le tube 3488 avec un facteur 100 En pratique il est souvent raisonnable de prendre une conductivit constante partir de la temp rature de fusion et on estime qu il n est pas n cessaire de l augmenter artificiellement tant donn e que les inconnues concernant le bain de fusion ph nom nes convectifs etc sont englob es dans la d finition d une source de chaleur ad hoc e Lors du soudage la chaleur latente de fusion cf remarque du paragraphe 3 3 1 est faible par rapport l apport de chaleur provenant du proc d et il n est pas forc ment utile de la prendre en compte En outre cette chaleur latente de fusion peut galement tre incluse implicitement dans la d finition de l apport de chaleur Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org cop
44. udage adapt par exemple par apport de chaleur Les deux pi ces ne sont jamais soud es en une seule fois mais pas passes successives la premi re passe s appelant la passe de racine e La repr sentation num rique la premi re passe de racine n est jamais mod lis e On suppose donc qu initialement les deux pi ces A et B sont en un seul bloc Par la suite nous verrons qu il existe plusieurs m thodes pour activer les passes Le plus souvent c est la configuration pr sent e dans le dessin ci dessous on choisit de repr senter toutes les passes dans le mod le initial et on les active au fur et mesure La r alit La repr sentation num rique Le soudeur La source de chaleur apport e par le proc d de soudage avec m tal d apport ici La pi ce initiale mod liser avec ici Les deux RE toutes les passes pi ces souder repr sent es initialement dans le mod le 1 passe Passe de racine Activation de la 1 passe simuler me Activation de la 2 3 passe t S passe simuler Activation de la 3 passe simuler 2 passe 4 passe Activation de la 4e 5 me passe si passe simuler Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copylett fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Pag
45. ux questions importantes au niveau du choix de la loi de comportement portent sur e __ Doit on prendre en compte les effets visqueux du fait des hautes temp ratures engendr es lors du soudage e Quel type d crouissage doit on consid rer isotrope cin matique ou mixte Cette question est importante en soudage car ce proc d implique des cycles de traction et compression Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copylett fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 23 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 Les effets visqueux sont souvent n glig s en raison essentiellement du manque de donn es exp rimentales Un mod le plastique peut alors tre suffisant si son identification est r alis e partir d essais o la vitesse de chargement est proche de celle rencontr e dans la structure tudi e 6 Sinon il est pr f rable de prendre un mod le visqueux surtout si l on souhaite simuler un chargement de type d tensionnement Pour le type d crouissage on a constat dans 3 4 et 6 qu un mod le crouissage isotrope conduit en g n ral un niveau final de contrainte tr s lev compar des mesures Le niveau de contraintes maximal final sera d autant plus lev que les cycles de plastification en traction
46. ve partout dans le chanfrein Dans la r alit la source de chaleur progresse vers une partie de structure rest e froide qui bride obligatoirement la zone soud e La pi ce au niveau de la source de chaleur ne peut donc se dilater librement Cet effet d autobridage doit s estomper quand la chaleur diffuse et dispara tre au cours de la phase de refroidissement Pour rem dier ce probl me on peut imposer un bridage axial au tube uniquement dans la phase de chauffage On emp che ainsi le tube de se dilater librement au chauffage par contre il est libre de se d former au refroidissement 4 6 Temps de calcul On constate en version STA9 aux travers de diff rentes tudes de soudage men es ces derni res ann es que l essentiel du temps calcul est consomm dans le calcul m canique Pour donner un ordre de grandeur nous donnons deux exemples ci dessous e Cas test HTNA100A qui consid re un tube chanfrein soud en deux passes avec proc d TIG fiche dite 3488 Nombre de n uds 3632 Mod lisation axisym trique Temps CPU du calcul thermique 307s Temps CPU du calcul m tallurgique 25s Temps CPU du calcul m canique 5169s Manuel d utilisation Fascicule u2 03 Thermo m canique Document diffus sous licence GNU FDL http www gnu org copyleft fdl html Code Aster oo default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 24 24 Responsable Jean ANGLES Cl
47. yleft fdl html Versi Code Aster default Titre Notice d utilisation pour la simulation num rique Date 10 08 2010 Page 21 24 Responsable Jean ANGLES Cl U2 03 05 R vision 4036 44 Calcul m tallurgique 4 4 1 4 4 2 4 4 3 Le point critique pour la partie m tallurgique concerne essentiellement la connaissance de donn es exp rimentales afin d identifier correctement les mod les de comportement m tallurgiques Introduction Dans cette partie on ne s int resse qu au mat riau type acier en particulier le 16MND5 qui peut comporter cinq phases m tallurgiques diff rentes la ferrite la perlite la bainite la martensite dites phase froide ou et l aust nite dite phase chaude ou y Lorsqu on chauffe un mat riau les phases se transforment en phase y Quand on refroidit le mat riau l aust nite se transforme selon la vitesse de refroidissement en ferrite et ou perlite et ou bainite et ou martensite Il faut donc d finir pour le chauffage la cin tique de transformation x y et pour le refroidissement la nature et la cin tique des transformations possibles y x Les phases m tallurgiques en pr sence d pendent donc de la temp rature et de la vitesse de temp rature Le calcul de ces phases est r alis en post traitement d un calcul m canique par la commande CALC META Il faut pr ciser dans cette commande l tat m tallurgique initial Mod les de comportement
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